一种导抗台设备、卫星导航对抗系统和方法

摘要

本发明涉及一种导抗台设备，包括依次连接的接收天线阵列、射频前端、数字信号处理器和发射天线阵列；所述数字处理器包括与射频前端连接的信号接收机、与信号接收机连接的信号缓存器、与信号缓存器双向连接的信号增强处理模块，以及与信号缓存器连接的时频调整处理模块，信号缓存器与发射天线阵列连接；接收天线阵列用于接收导航卫星信号，时频调整处理模块用于对数据信号施加时延得到诱导信号，发射天线阵列用于向GNSS接收机发送诱导信号。本发明涉及一种卫星导航对抗系统，包括至少4台导抗台设备。本发明涉及一种卫星导航对抗方法，利用所述卫星导航对抗系统，通过压制和诱导的策略达到使GNSS接收机输出伪装位置信息的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及无线电卫星导航技术领域，特别是涉及一种导抗台设备、卫星导航对抗系统和方法。

背景技术

卫星导航定位技术是当前经济、社会和军事领域提供精确定位的重要技术手段。在军事领域内，近几十年的几次局部战争的实践表明，卫星导航系统(GNSS)是实现精确打击的重要依托手段和关键技术。同时，针对导航系统及其无线电信号频谱的争夺和控制正越来越激烈，随着相关技术的不断发展，导航战极有可能成为现代电子战中新的作战样式。导航战的目的，即要防止敌人在作战中利用GNSS，又要保护己方正常使用，同时还要避免目标区域以外的导航服务受到影响。

GNSS导航有诸多的优势，但也存在显著的漏洞，易于实施干扰。首先，GNSS的信号发射频率、调制特性和导航电文是公开信息。其次，GNSS频率固定，信号极其微弱，到达地面的信号功率一般只有-160dBW左右，为10

针对GNSS接收机的对抗技术，主要有攻、防两个方面。对GNSS接收机的攻击技术主要手段是电磁干扰，分为压制式干扰和欺骗式干扰两类。

压制式干扰就是通过发射干扰信号以压制在GNSS接收机前端的卫星信号，使GNSS接收机无法正确解调卫星信号，从而达到干扰的目的。这种方法的优点在于，实现原理简单，干扰机理不依赖GNSS系统，具有良好的可操作性。压制式干扰能使特定区域接收机失效，但是无法实现对目标定位的诱骗。

欺骗式干扰，主要通过发射与GNSS系统参数相同的虚假信号，诱导GNSS接收机解算出错误的位置和时间信息。欺骗式干扰又有两种技术方案，包括自主式欺骗和转发式欺骗。

在自主式欺骗中，干扰机自主产生高保真GNSS信号并发射到目标区域，致使目标接收机锁定在欺骗信号上，从而得到错误的伪距和定位信息。但是这种方式必须完全掌握GNSS信号参数，包括码结构、导航信息结构和加密方式等。例如，为了鼓励GNSS系统的使用，包括美国GPS系统、欧洲伽利略导航系统和中国北斗导航系统，都公开了民用码的系统参数。这就使得民用GNSS系统易于受到欺骗式干扰的影响。

在转发式欺骗中，干扰机首先接收卫星导航信号，然后高保真地延迟转发，使被欺骗接收机在无意识状态下产生错误的伪距测量值，最终使得接收机解算出错误的定位信息。

这种方式无需了解码信息，且具有一定的隐蔽性，主要是针对非公开的GNSS信号。各GNSS系统除了公开的民用码之外，还有专用的军用码导航方式，这种方式的系统参数是系统的核心技术参数，对外严格保密，难以得到相应的技术资料。所以对军用GNSS接收机的自主欺骗干扰则不具备实现条件。以GPS的P码为例，P码经过加密，周期长达267天，实际应用时P码的周期被分成38部分，每部分为7天。每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，但结构不同。破解P码的难度极高，不具有实现性。因此，转发式欺骗干扰是应对P码的主要技术手段。

俄罗斯很早就研发了针对GPS接收机的干扰设备，并在包括伊拉克、科索沃等局部热战中有过使用。为了应对这种形势，美国对GPS进行了大幅度的现代化改进，当前新一代GPS 3系列卫星新添了若干导航战特性，主要有以下几点。首先，增加了第四民用信号。使用了低密度压缩编码(LDPC)等先进编码技术，同等发射功率下具有更强的抗干扰、纠错能力，意味着在树荫遮蔽、车内室内等微弱信号条件下的定位能力和可用性将大大加强。其次，提高了信号发射功率，尤其是对于第二民用信号和第三民用信号有较明显的提升。第三，提供更高的定位精度。GPS 3卫星具备更高的轨道保持精度，并通过在星载原子钟、热控、全数字导航信号生成等方面的技术升级，使其可提供更高稳定度的定位信号，用户测距误差较之前卫星提升3倍以上。第四，提升点波束能力，可以在几百公里的区域内提升军码的发射功率100倍以上，极大加强局部区域的抗干扰能力，区域战斗能力有质的提升。

目前，针对各种干扰策略，新的GNSS接收机不断发展出了相应的抗干扰对策，也就是GNSS接收机的防守策略，比如天向增强技术、射频干扰检测和抑制、功率异常检测和一致性检测等。随着这些抗干扰技术的发展，原有的干扰技术手段要么失效，要么效果大打折扣，不能发挥作用。因此，需要发展新的导航对抗技术手段。与此同时，在导航战中，攻防各方需不断博弈，以达成一定程度的均衡。随着各卫星导航系统抗干扰能力的提升，有必要发展相应的对抗手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种导抗台设备、卫星导航对抗系统和方法，利用导抗台设备，通过压制和诱导的策略达到使GNSS接收机输出伪装位置信息的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种导抗台设备，包括依次连接的接收天线阵列、射频前端、数字信号处理器和发射天线阵列；所述数字处理器包括与所述射频前端连接的信号接收机、与所述信号接收机连接的信号缓存器、与所述信号缓存器双向连接的信号增强处理模块，以及与所述信号缓存器连接的时频调整处理模块，所述信号缓存器与所述发射天线阵列连接；

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种卫星导航对抗系统，包括至少4台部署于空中的上述的导抗台设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种卫星导航对抗方法，采用上述的卫星导航对抗系统，包括：

步骤(1)：通过所述导抗台设备向目标区域发射干扰信号来压制导航卫星信号，使所述目标区域内的GNSS接收机与导航卫星失锁；

步骤(2)：每个所述导抗台设备通过所述接收天线阵列定向接收单个导航卫星的信号；

步骤(3)：通过所述信号增强处理模块将每个所述导抗台设备接收到的导航卫星信号进行滤波和增强，并通过所述时频调整处理模块对滤波和增强后的信号施加预设时延，得到诱导信号；

步骤(4)：每个所述导抗台设备通过所述发射天线阵列向GNSS接收机发送所述诱导信号，来改变所述GNSS接收机的输出定位。

所述步骤(1)中干扰信号的发射功率满足：P

所述步骤(3)中通过所述时频调整处理模块对滤波和增强后的信号施加预设时延，所述预设时延的计算公式为：

所述步骤(3)中通过所述时频调整处理模块对滤波和增强后的信号施加预设时延，还包括：渐进地逐步增加延时量，公式为：

所述步骤(4)之后还包括步骤(5)：根据所述GNSS接收机的当前位置和新的诱导位置，循环所述步骤(1)至步骤(4)的过程。

所述步骤(1)中干扰信号的发射频率与导航卫星信号的中心频率一致。

所述步骤(1)中干扰信号的类型为宽带高斯噪声、宽带相位频率调制信号或窄带连续波干扰信号。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提供的导抗台设备不仅能够有效接收和发射信号，还具备较强的抗干扰性能；本发明通过多台导抗台设备构建的卫星导航对抗系统，真实模拟导航卫星信号抵达方向，避免诱导信号被接收机侧信号到达角异常检测模块检测到并抑制，从而保障了诱导效果；本发明通过导抗台设备在压制阶段和诱导阶段的精确的发射功率控制，规避接收机侧信号功率异常检测机制，从而保障诱导效果；本发明通过导抗台设备根据目标的当前位置和期望位置，估计出要施加的时延量，并采用渐进的诱导时延的调整方法，循序渐进地诱导目标偏离轨迹，避免目标接收机定位的突然跳变，从而保障诱导效果；本发明通过为导抗台设备配置的接收和发射天线阵列，即实现窄波束跟踪锁星接收特定方向的导航卫星提供的卫星导航信号，又实现了向特定区域实施压制和诱导；本发明通过导抗台设备在信号压制和诱导两个过程的交替循环，不断巩固和保障诱导效果。

附图说明

图1是本发明实施方式的应用场景示意图；

图2是本发明实施方式的导抗台设备的结构原理图；

图3是本发明实施方式的方法流程图；

图4是本发明实施方式中导抗台设备压制与和诱导过程循环示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种导抗台设备，并且通过至少4台部署于空中的导航对抗设备(导抗台设备)组成卫星导航对抗系统，如图1所示，为本发明实施方式的应用场景示意图，场景由三部分组成，分别是：位于空间的导航卫星、部署于空中且搭载导抗台设备的无人机构成的空中平台(卫星导航对抗系统即为空中平台)，以及位于地面或近地面的导航对抗区域的GNSS接收机。所述导航卫星可以是GPS卫星、北斗导航卫星或伽利略导航卫星等。在正常情况下，它们为地面或近地GNSS接收机提供导航信号。

进一步地，所述卫星导航对抗系统(空中平台)主要包括安装于无人机、飞机、飞艇或热气球等平台的导抗台设备。导抗台设备主要功能包括：首先，向上定向接收特定导航卫星的导航信号。其次，对接收信号进行处理，包括提升信号质量、时频调整，生成高保真的、时延可控的诱导信号。第三，将诱导信号通过定向波束发射到指定区域。同时，导抗台设备可借助多座导航卫星，实时完成自己的高精度定位，必要时结合惯性导航与卫星导航构成的组合导航系统，为自身提供高精度定位。

如图2所示，为本发明实施方式的导抗台设备的结构原理图，所述导抗台设备包括依次连接的接收天线阵列、用于进行射频信号处理的射频前端、数字信号处理器和发射天线阵列；导抗台的两个天线阵列分别具有朝向上空导航卫星方向和向下朝向干扰区域方向的两层波束结构，首先，朝向空中方向的接收来自导航卫星信号的接收波束，既可以实现特定方向的卫星信号的高增益接收，又可以隔离来自其他方向的干扰，特别是来自地面或平行空域的干扰，使得导抗台具有很强的抗干扰能力。其次，朝向地面干扰区域方向的发射波束，主要用来向目标区域的GNSS接收机发送诱导信号。

进一步地，所述数字处理器包括与所述射频前端连接的信号接收机、与所述信号接收机连接的信号缓存器、与所述信号缓存器双向连接的信号增强处理模块，以及与所述信号缓存器连接的时频调整处理模块，所述时频调整处理模块与所述发射天线阵列连接。所述信号接收机处理来自射频前端的信号，并将信号存储到信号缓存器中；所述信号增强处理模块对信号缓存器中的数据进行滤波和增强处理等操作；所述时频调整处理模块根据目标的位置等信息，计算信号转发时施加的时延，并据此控制信号转发的时机，从信号缓存器中取出数据并送到所述发射天线阵列，完成诱导信号的发送。

具体地，本实施方式中的导抗台设备具有如下几个特征：

首先，导抗台设备具备机动部署的能力。导抗台设备安装于近地空中的无人机等平台中。多个导抗台设备所处的空中平台，可机动部署于干扰区域的上空与边缘，对干扰区域内提供稳定的压制信号和诱导信号。机动部署的导抗台设备，提供多方面的技术优势：即可以根据诱导目标的位置机动调整空中平台的位置，实现对目标区域的最佳覆盖；又可以通过调整导抗台设备的空间位置，形成最优的定位布局，提高定位精度。

其次，导抗台设备具备自适应接收特定卫星信号的能力。导抗台设备配备朝向天空的大规模天线阵列，通过自适应地调整天线振子的权系数矢量的波束赋形，形成朝向特定方向的接收波束，实现特定方向的无线电信号的接收。通过采用该方法，可使导抗台设备的接收天线指向特定的导航卫星，不但可以获得高增益的卫星信号，而且可以隔离来自其他方向的无线电干扰，极大地增强导抗台接收高保真导航卫星信号的能力。

第三，导抗台设备具备自身定位能力。导抗台设备要实现对目标接收机的定位诱导，需要实时准确地确定自己的位置。采用上述的大规模天线阵列波束赋形接收技术，导抗台设备可以从导航卫星信号解算出高精度的位置信息。同时，辅助以惯性导航，将惯性导航与卫星导航进行组合导航，更可以提供高精度、高输出频率的定位信息。

本实施方式还涉及一种卫星导航对抗方法，如图3所示，为本发明实施方式的方法流程图，具体包括：

步骤(1)：信号压制。通过所述导抗台设备向特定区域发射预设频率和功率的干扰信号，来压制导航卫星信号，使所述特定区域内的GNSS接收机与导航卫星失锁，GNSS接收机开始重新搜索卫星信号。一般地，信号压制持续时间可为1至5分钟。

以下对所述步骤(1)进行具体说明：

所述干扰信号的类型可以是宽带高斯噪声，或宽带相位频率调制信号，或窄带连续波干扰信号。当强干扰信号频率与GNSS信号中心频率相同时，会引起脉冲信号的跳动，造成接收机无法识别卫星信号，出现接收机不能捕获、跟踪、锁定卫星信号等现象；当干扰信号的频率与GNSS信号频率不相同时，由于接收机前端电路的频率选择性，只有靠近GNSS信号中心频率的干扰信号才能进入接收机，产生带内和带外的干扰。这时，对GNSS信号干扰的效果不仅与干扰信号的频率和脉冲宽度有关，而且和初相角有关。

优选地，所述干扰信号的发射频率与GNSS信号的中心频率一致。

所述干扰信号发射功率应该按下述方法确定，其基本原则是，使得进入GNSS接收机的干扰信号比J

J

其中，抗干扰裕度J

对于所述干扰信号比，可通过分别计算有效干扰功率J

J

所述有用GNSS信号功率根据不同的系统和不同的信号，有不同的取值。例如，对于GPS系统，L1C的地面接收功率电平约为-155.5dBW，C/A码的功率电平约为-158.5dBW。

对于有效干扰功率，可由下式确定：

J

其中，P

根据公式J

P

进一步地，当由多个导抗台设备向同一区域发射干扰信号时，单个导抗台设备的发射功率可相应降低。

步骤(2)：特定导航卫星信号的窄波束接收。每个所述导抗台设备通过所述接收天线阵列定向接收单个特定的导航卫星的信号。

导抗台设备使用方向性接收天线对准特定的导航卫星，接收单个导航卫星的导航信号。

导抗台设备利用不加密的星历获取导航卫星位置，根据目标位置及各个导抗台设备的布局，为其分配要接收的导航卫星。

空中平台中的导抗台设备利用窄波束对准卫星，接收并分离出单个导航卫星的特定信号。

原则上，只需要大于4台导抗台设备，分离出大于4颗卫星的信号，到达角模糊的可通过方向性滤波剔除。

步骤(3)：时频调整。通过所述信号增强处理模块将每个所述导抗台设备接收到的导航卫星信号进行滤波和增强，并通过所述时频调整处理模块对滤波和增强后的信号施加预设的时延，得到诱导信号。

以下对所述步骤(3)进行具体说明：

对导航卫星信号的滤波和增强，目的是尽量滤除选定卫星信号之外的其他信号，增强选定的卫星信号。

本实施方式对于确定所需要施加的时延的量尤为关键，设有4个导抗台设备，分别为Q

根据GNSS定位原理，要使得在A点的接收机的输出定位变成为B点，需要对卫星信号施加的时延量由下式确定：

其中，δ

进一步地，为了避免GNSS接收机的导航定位结果发生突然大幅度的跳变，需渐进地、用不易被察觉的方式调整时频参数，逐步诱导目标偏离轨迹。为了渐进地实施诱导，不能一次性地为待转发的卫星信号施加这么大的延时量，假定要在Δt秒之后将接收机诱导至B点，可在诱导阶段开始后，渐进地逐步增加转发延时量，公式为：

步骤(4)：诱导信号发送。每个所述导抗台设备通过所述发射天线阵列向GNSS接收机发送所述诱导信号，来改变所述GNSS接收机的输出定位。

在所述步骤(1)实施一段时间之后，典型地如1至5分钟，目标区域的目标会与GNSS卫星信号失锁，进入重新搜索卫星型号的阶段。

此时，将所述步骤(2)和步骤(3)中处理过的数据，以一定的功率，用具有很窄的波束的形式，发送诱导信号到目标区域，以区域压制或精确对准的方式，向下发射诱导信号，以达到诱导目标偏离真实轨迹的目的。

所述步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)组成诱导过程。一般地，诱导的持续时间，可为5至10分钟。

如图4所示，为本发明实施方式中导抗台设备的压制与和诱导过程循环示意图，为了巩固和保障对区域内目标接收机的诱导，当需要启动对区域内目标接收机实施干扰时，部署空中平台到指定区域上空，然后每个导抗台设备进入压制与诱导循环，当诱导过程持续一段时间之后，为了巩固诱导的成果，可再次实施信号压制，之后再根据目标当前位置和新的诱导位置，重新计算诱导时延量，再次进行诱导。如此循环交替，直到完成导航对抗任务。

由此可见，本发明提供的导抗台设备不仅能够有效接收和发射信号，还具备较强的抗干扰性能；本发明提供的卫星导航对抗系统和卫星导航对抗方法，通过压制和诱导的策略能达到使GNSS接收机输出伪装位置信息的目的，能够在军事和航空航天领域有效对抗GNSS接收机的抗干扰策略。